佟斯琴, 刘桂香, 包玉海, 张巧凤2,

乌珠穆沁草原水热分配差异对植被的影响

佟斯琴1,2,3, 刘桂香2,*, 包玉海3, 张巧凤2,3

1. 东北师范大学环境学院/自然灾害研究所, 长春 130024
2. 中国农业科学院草原研究所, 呼和浩特 010010
3. 内蒙古师范大学地理科学学院, 呼和浩特 010022

利用MODIS NDVI数据和气象站点的气温和降水资料, 运用最大值合成、一元线性分析和相关分析方法, 分别从年际变化、季节变化和月变化角度分析2000—2013年乌珠穆沁草原植被覆盖变化及其对气温和降水变化的响应特征。结果表明, 从年际变化看, 近15年来乌珠穆沁草原植被覆盖呈增加趋势, 其变化趋势主要受降水量的控制; 从季节变化来看, 夏季和秋季植被覆盖度呈上升趋势, 而春季呈下降趋势。春季和夏季植被覆盖变化主要受降水的影响,而秋季植被生长与气温的关系较与降水的关系密切; 从植被生长的月变化来看, NDVI与气温的相关性小, 与降水量的相关性大。在返青期初期(4、5月)NDVI值随气温升高而升高, 温度有助于植被的生长, 其他时段气温对NDVI值产生负向作用, 其中7月份植被生长受气温的负向作用最明显; 4—6月受当月降水量的影响明显, 7、8月份NDVI值与6月份降水量呈显著相关, 表明植被生长对降水变化具有一定滞后性。

乌珠穆沁; 归一化植被指数; 水热条件; 相关性

1 前言

植被作为陆地生态系统的主体, 是连结土壤、大气和水分等要素的自然纽带, 在全球变化中充当“指示器”的作用[1]。气候变化作为陆地生态系统的主要驱动因子, 是决定地球上植被类型及其分布的最主要因素, 其中水热条件是决定植被空间分布及其变化的主要非生物因子[2]。确定植被-气候的关系对于研究气候变化与陆地生态系统的关系十分重要,国际地圈生物圈计划(ICBP)将“全球变化与陆地生态系统响应(GCTE)”列为核心研究重要内容[3]。遥感观测为研究地表植被覆盖变化提供了可靠地实时数据源, 其中植被指数是描述植被数量、质量、植被长势和生物量等指标的指示参数[4], 而归一化植被指数NDVI能够在大尺度上较准确地反映植被的绿度和光合作用强度, 较好地反映植被的代谢强度及其季节性变化和年际间变化, 是研究植被变化的一个非常有效的手段, 被广泛地应用到反演植被生长状况及其动态变化研究中[5–7], 针对植被变化对气候变化的响应做了大量研究[8–10]。

草原作为陆地生态系统的重要组成部分, 不仅在全球碳循环、气候变化中扮演着重要角色[11], 在畜牧业生产和社会经济发展中也发挥着十分重要的作用[12]。然而近几十年以来,

全球变暖导致干旱愈来愈突出, 再加上人为垦荒耕种、草原开矿及办厂等造成草原严重破坏, 景观破碎、地表裸露、草原沙化等, 使草原面临种种威胁, 引起了社会各界的广泛关注。乌珠穆沁草原是内蒙古最好的天然草原, 保护乌珠穆沁草原, 是我国当前当物之急, 但把乌珠穆沁草原作为独立单元的研究甚少。因此, 开展乌珠穆沁草原多年植被变化及其与气候变化的关系可以找出影响该区域植被生长不同阶段的主导因子, 为研究区植被恢复和生态保护工程效益评价等方面提供有效的理论依据,对研究区生态环境变化预测有重要意义。本研究以2000—2013年MODIS NDVI数据作为植被覆盖变化的主要指标, 结合同期气温、降水资料, 开展乌珠穆沁草原不同时间尺度(年际、季节和月)植被变化状况及其对水热要素的响应特征。

2 数据资料与研究方法

2.1研究区概况

乌珠穆沁草原(43°52′—46°40′N, 115°10′—120°47′E)地处内蒙古锡林郭勒盟东北部(图1), 总面积7万平方公里, 包括东乌珠穆沁旗和西乌珠穆沁旗, 是全国最为典型的温带草原。草原类型以草甸草原为主,优势植物为羊草、贝加尔针茅和线叶菊。地势北高南低, 由东向西倾斜, 海拔高度在800—1957米之间; 北部是低山丘陵, 南部是盆地。全旗土壤水平地带性分布明显, 由东向西依次有灰色森林土黑钙土、栗钙土。年均温度为1.6 ℃, 年降水量300 mm左右, 主要集中在6—8月份, 占年总降水量的70%;良好的水源为牧草的生长提供了充足的水分, 有利于植被生长。

2.2数据与方法

2.2.1 NDVI数据与处理

本研究数据源为NASA网站免费提供的16天合成的Terra/MODIS NDVI数据集MOD13A2产品,空间分辨率为1 km, 时间尺度为2000—2013年。由于研究区的植被在冬季几乎停止生长或被积雪覆盖等原因, 在此选取生长季4—10月份数据, 研究春季、夏季和秋季植被覆盖变化及其对水热要素的响应特征。应用MODIS Reprojection Tools (MRT)软件对下载的数据进行数据格式和投影转换、数据拼接与裁剪等处理。对于处理好的MODIS NDVI数据, 采用最大值合成法MVC(Maximum Value Composites)获取月NDVI值, 该方法可进一步消除云、大气、太阳高度角等的部分干扰[13]。获得月NDVI时间序列的基础上对其进行平均值计算,获取春季(4—5月平均NDVI)、夏季(6—8月平均NDVI)和秋季NDVI(9—10月平均), 进而对每年春、夏、秋季NDVI进行加权求平均, 生成近15年逐年年平均NDVI。

图1 研究区地理位置及气象观测站的分布Fig. 1 Location of study area and distribution of meteorological stations

2.2.2 气象数据与处理

本文选取2000—2013年乌珠穆沁草原境内及周边11个气象站点(图1)的月平均气温和月总降水量数据, 该数据主要来源于中国气象科学数据共享服务网的中国地面气候资料数据集。在ARCGIS软件的支持下, 根据气象观测站的经纬度信息, 对温度和降水数据进行克里格(Kriging)空间插值处理,获取空间分辨率与NDVI数据一致, 投影相同的月气温和降水量栅格数据。各季节气温数据是通过各季节对应月份的值进行加权平均来获得, 降水量数据是对各季节对应月份的值进行加权来获得。

2.3研究方法

首先对每年各季节NDVI、气温和降水量数据在乌珠穆沁草原范围内进行空间平均, 得到逐年NDVI、气温和降水量, 进而分析不同季节 NDVI年际变化趋势及其与气温和降水之间的关系。将NDVI值和气候要素(气温和降水)分别进行一元线性回归处理, 用来分析其随时间变化的趋势。对影像栅格数据进行空间分析运算, 对于 NDVI 时间序列数据, 每个像素对应有若干年的时间序列数值,对这些数值进行线性变化趋势 Slope 分析, 可以分析每个栅格点的变化趋势。Slope 大于零, 表明该像素代表的植被状况在向好的方面发展; 反之则是植被状况变差, 计算公式为:

式中, b为线性变化趋势, 即斜率,正值表示上升趋势,负值则表示下降趋势; 为第i年的区域平均NDVI;为多年平均NDVI; y为年份, 取2000—2013年。

利用SPSS统计软件进行Person相关双侧检验和ENVI IDL编程分别计算研究区植被年际变化、季节变化与气温、降水的相关关系及其空间分布图。考虑到植被NDVI相对于气温和降水的响应有一定的时间滞后性, 除了当时的气候状况影响植被变化外, 前一段时间的气候状况对植被生长状况也有滞后效应, 当月和前一个月的气温和降水量对植被有显著影响。所以本文取生长季月NDVI值与当月和前期气温、降水量进行相关分析。显著性级别以P值判定, 当P值＜0.01, 表示在0.01水平上显著相关,以**标识; 当0.01≤P值＜0.05, 表示在0.05水平上显著相关, 以*标识。

3 结果与分析

3.1植被时间序列变化特征及对水热分配差异的响应

图2 不同季节NDVI、降水量和气温的变化Fig. 2 Changes of seasonal NDVI, precipitation and temperature in study area

由图2研究区2000—2013年NDVI年际变化曲线可以看出, 14年来乌珠穆沁草原植被覆盖总体呈波动上升趋势, NDVI值的线性倾向率为0.013·10a–1,表明21世纪以来研究区植被状况变好。NDVI在2000—2005年有显著增加趋势; 2006—2010年NDVI值变化较大, 有明显的波峰和波谷; 2011—2013年NDVI值持续增加。研究区年平均降水量呈显著增加趋势, 年平均降水量范围为218 mm— 398 mm, 多年平均降水量270 mm左右。NDVI年际波动与降水量的变化保持高度一致, 如2008和2012年的NDVI与降水量的波峰相对应, 而2007年NDVI波谷与同年降水量波谷相对应, 表明除了生态保护与恢复工程对植被生长的促进作用外, 降水量的增加也是乌珠穆沁草原植被改善的一个主要原因。大体上是丰水年的植被长势比其他年份的好。2000—2013年研究区气温年际变化趋势则与降水变化趋势相反, 呈波动减少趋势(减少速率为–0.41 ℃·10a–1)。温度最小值出现在植被长势最好的2012年(7.87 ℃); 温度最大值出现在植被长势最差的2007年(9.47 ℃)。这可能是较高的温度会加快蒸散发而导致干旱加剧和植被可利用水量减少, 在一定程度上影响植被覆盖度的增加。

通过分别对2000—2013年NDVI与气温和降水做相关分析(表1)可以看出, 在年际变化上植被指数与年降水量呈显著正相关(R=0.557, p＜0.05), 随着年降水量的增加, 研究区的植被指数增大。相反, 年平均温度与年平均植被指数没有显著的相关关系(R= –0.122, p＞0.05)。总体上, 在年际尺度上影响乌珠穆沁草原植被生长的主要因子是水分条件, 降水的多寡决定了植被生长的状况。

从图2可以看出, 2000—2013年乌珠穆沁草原不同季节草地植被覆盖变化趋势分别表现为春季下降、夏季上升和秋季有微弱的上升特征。夏季和秋季植被变化与全年植被变化较一致, 而春季植被变化与全年植被变化相关性较差。多数年份春季植被变化趋势与秋季植被变化趋势相反, 说明在某些年份, 若春季NDVI增加秋季NDVI则降低, 这可能与草地植被生长期提前或延迟有一定关系。

研究区春季、夏季和秋季降水量变化趋势一致, 均呈增加趋势, 夏季降水量增加趋势最明显(6.53 mm·a–1), 其各季节波动趋势基本与NDVI的波动一致。而气温变化则存在一定的差异, 春季(0.73—5.24 ℃)和夏季(18.6—21.8 ℃)气温总体上呈下降的趋势, 而秋季温度在–0.42—3.8 ℃之间波动, 总体上呈上升的趋势, 其中春季平均温度高于秋季。通过对NDVI与气温和降水进行相关分析可知(表1), 植被生长在不同季节对水热分配响应不同。春季NDVI与降水之间有极显著正相关关系(通过0.01置信水平), 与温度呈负相关, 但从图2可以看出春季NDVI值随温度的减小而减小, 可能是由于温度未能达到草地返青期所需下限温度而导致植被生长推迟, 春季植被生长受气温及降水的共同影响。夏季NDVI与降水之间存在着显著正相关(通过0.05置信水平), 而与温度之间存在着显著负相关关系(夏季通过0.05置信水平), 夏季植被生长发育环境温度超过其正常生长发育所需温度的上限时, 引起蒸腾作用加强、水分平衡失调从而对草原植被生长有抑制作用。秋季NDVI则与气温之间存在着显著相关关系(通过0.05置信水平)与降水有负相关关系, 10月份植被过了盛草期基本停止生长, 需水量减少,供水量大反而抑制植被生长。整体来看, 乌珠穆沁草原植被生长在不同季节对水热条件变化的敏感性不同, 春季和夏季植被生长对水分变化的敏感性高于对气温的敏感性, 秋季植被生长则对气温变化的敏感性高于对水分的敏感性。

表1 研究区NDVI与气候因子的相关系数Tab. 1 Correlation coefficient between NDVI and climatic elements in study area

3.2植被空间变化特征及对水热条件的响应

近14年来, 乌珠穆沁草原年平均NDVI总体上具有明显的增加趋势(图3)。各季节平均NDVI呈不同程度的增加或减小趋势, 且存在着空间差异。其中, 夏季是三个季节中平均NDVI呈上升趋势的面积最大的季节(图5), 特别是在研究区西部额仁高毕苏木、巴彦霍布尔苏木和东乌珠穆沁旗南部等地区增加趋势显著, 部分像元的增加速率超过0.01·a–1。而呈下降趋势的地区主要分布在研究区南部, 其部分像元的下降速率为–0.01·a–1。春季NDVI呈下降趋势的面积大于呈增加趋势的面积(图4), 其中呈增加趋势的像元主要分布于研究区西部地区, 而呈下降趋势的像元集中研究区东部, 其部分像元的下降速率都超过了–0.01·a–1。秋季NDVI呈增加趋势的面积略大于呈下降趋势的面积, 其分布趋势与春季基本一致, 且其增加和下降速率(斜率大小)也与春季一致。总体上, 年平均NDVI整体上呈上升趋势,各季节平均NDVI具有东部下降, 西部和南部增加的特征。

图3 年平均NDVI变化趋势及其与降水和温度的相关关系Fig. 3 Annual trend in NDVI and its correlation coefficient with precipitation and temperature

图4 春季NDVI变化趋势及其与降水和温度的相关关系Fig. 4 Trend in NDVI and its correlation coefficient with precipitation and temperature in spring

图5 夏季NDVI变化趋势及其与降水和温度的相关关系Fig. 5 Trend in NDVI and its correlation coefficient with precipitation and temperature in summer

图6 秋季NDVI变化趋势及其与降水和温度的相关关系Fig. 6 Trend in NDVI and its correlation coefficient with precipitation and temperature in autumn

图7 年平均和各季节NDVI与降水的相关关系面积百分比Fig. 7 Area percentage of NDVI and its correlation coefficient with precipitation in each season

图8 年平均和各季节NDVI与温度的相关关系面积百分比Fig. 8 Area percentage of NDVI and its correlation coefficient with precipitation in each season

根据图7和图8 NDVI与水热因子的相关系数像元面积百分比统计可知, 年平均和各季节NDVI与降水量之间呈正相关关系的面积都大于呈负相关关系的面积。在空间分布趋势上, 年平均和春季NDIV与降水的相关系数分布基本一致, 呈负相关的像元分布在研究区南端, 其余所有像元与降水呈正相关。而春季NDVI与气温之间呈负相关的面积(82.3%)远大于呈正相关的面积, 除了研究区东北部草甸草原区乌拉盖苏木、满都胡宝拉格苏木和贺斯格乌拉牧场植被NDVI与气温呈正相关外, 其余所有像元都与温度呈负相关(图4)。夏季NDVI与降水之间呈正相关的面积大于呈负相关的面积。相反, 夏季NDVI与气温之间几乎没有出现呈正相关的像元(仅为0.1%), 而出现了大面积的呈负相关关系的像元(99%)。秋季NDVI与降水量之间呈负相关的像元面积(44.8%)明显高于其它季节,主要分布在研究区东北部, 且秋季NDVI与气温之间呈正相关的面积在三个季节中最大, 达到研究区总面积的97.4%。这说明, 与春季和夏季相比,乌珠穆沁草原秋季温度对植被影响较大。总之, 不同地区在不同时间段上水热条件对植被生长的影响不同。

3.3植被生长季月NDVI与水热因子的分析

表2为乌珠穆沁草原2000—2013年生长季(4—10月份)各月平均NDVI与同期和前期降水的相关系数。从同期月NDVI与降水的相关系数来看, 8月份、10月份NDVI与降水呈负相关; 8月份降水量充沛, 且与当月气温呈负相关(–0.16), 加上植被长势达到最大值, 过多降水可能导致涝灾而影响植被生长; 而10月份负相关系数最大, 这是由于植被进入枯草期, 降水量的多寡对植被生长没有显著作用, 反而导致气温的下降和冰冻现象的出现, 抑制植被生长。这可能是降水量偏多,使得云量增多, 入射太阳辐射减少, 从而使得植被指数下降。从各月平均NDVI与前期的降水量相关关系表现为, 4月份平均NDVI与前一个月的降水呈正相关, 说明3月份的降水对后1各月的植被生长具有促进作用, 降水的增加有利于植被的生长。7、8、9月份平均NDVI与6月降水的相关系数分别为0.59、0.54和0.58, 通过0.05显著性水平, 说明6月份的降水促进这三个月份植被的生长, 与植被生长对降水有滞后响应[14]这一结论一致。

表2 乌珠穆沁草原生长季NDVI与同期和前期降水量(P)之间的相关系数Tab. 2 Correlation coefficient between NDVI and precipitation in vegetation growing season

从表3生长季各月NDVI与气温的相关系数来看, 4月份NDVI与气温的相关性最大, 表明在植被生长季初期, NDVI对气温敏感性最强; 植被生长盛草期6—9月份NDVI与气温呈负相关, 对植被长势有抑制作用。从表3可以看出, 7—10月份平均NDVI与前期温度的相关系数为负表明初秋温度对植被的生长起着负面影响。4、5月份平均NDVI与前1个月温度的相关系数分别达0.11和0.48, 说明3、4月份温度对后1个月植被生长状况具有促进作用; 6月份植被平均NDVI与前期温度相关系数较小, 说明前期温度对植被影响较小。这是植被生长主要集中在春季的4、5月份, 这时受温度的影响较大, 温度的上升促进了植被的生长。其它月份温度对植被的生长也有相应影响, 但相关不显著。整体来看, 4月份NDVI与3月份气温、降水呈正相关, 表明在植被生长季初期气温与降水对植被生长同样重要。其他时间段水热条件有不同作用, 降水及温度对植被NDVI的作用存在一个阈值, 对植被的影响有促进也有减弱作用。

3.4水分月分配对植被生长的影响

综合以上分析可知, 影响乌珠穆沁草原植被生长的主要制约因素是降水, 水分月分配不同导致植被生长状况不同, 本文从以下方面分析降水对植被生长的影响。

从图2可知, 年变化上, 植被NDVI与降水呈较高一致性。选取年降水量较一致的2000、2001和2006年, 其相应的年降水量分别为223.14 mm、225.79 mm和215.6 mm。分析在年总降水量一致条件下水份月分配对植被长势的影响。在2000、2001和2006年总降水量一致的情况下, 相应的NDVI年平均值分别为0.215、0.256和0.236, 差异明显。不考虑非生长季植被, 结合上述植被NDVI与水、热响应, 从图9可以看出, 4月份NDVI值基本一致; 5月份, 气温相对一致情况下, 降水越多, NDVI值越大, 2001年NDVI值最大为0.32, 其次为2000年达0.29, 2006年最小为0.23; 2001年6月份降水为55 mm达全年峰值, 其次是2000年为47 mm, 2006年最少, 2001年6月份NDVI最大, 但2000和2006年NDVI值均为0.41, 这可能是2000年6月份气温大于2006年, 6月份气温对植被生长有负作用; 2006年7月份降水较其它两个年份多, 相应的NDVI值较大, 2000年7月份降水较2001年多, 但是2001年7月份NDVI大于2000年, 这是由于7月份植被长势受6月份降水影响较大。8月份降水与温度一致条件下, 植被NDVI值相差不大。9月份植被进入枯黄期, 水分的不同并没有表现出植被NDVI显著差异。综合上述分析可知, 在年降水量一致的前提下,降水月分配是决定植被长势的主要因子。

4 结论

本文基于MODIS NDVI植被指数和2000—2013年乌珠穆沁草原气象站点的气温和降水数据,分别分析了该地区植被年际变化、季节变化和月变化对气候变化的响应, 得出如下结论:

(1) 近15年来, 乌珠穆沁草原年平均NDVI整体上呈显著上升趋势(上升速率为0.0013·a–1); 从不同季节NDVI变化来看, 春季NDVI呈下降趋势(–0.0007·a–1), 而夏季(0.0044·a–1)和秋季NDVI均呈上升趋势。空间分布上, 年平均NDVI整个研究区呈上升趋势, 各季节平均NDVI具有东部下降, 西部和南部增加的特征。

表3 乌珠穆沁草原生长季NDVI与同期和前期温度(T)之间的相关系数Tab. 3 Correlation coefficient between NDVI and temperature in vegetation growing season

图9 2000、2001年和2006年水热月分配与相应的NDVI值Fig. 9 The hydrothermal distribution and the corresponding NDVI value in 2000, 2001 and 2006

(2) 年平均、春季和夏季NDVI与降水之间的正相关性明显高于与温度之间的正相关性, 而秋季NDVI与温度的正相关性高于与降水的相关性。表明在年际变化和春季、夏季变化上乌珠穆沁草原植被覆盖变化趋势主要受降水的控制, 而秋季温度的变化对植被生长的促进作用明显。

(3) 在返青期初期, 温度与降水都有助于植被的生长, 但主要限制因子是温度, 此时温度正处于升高阶段有利于植被的生长; 在植被生长中期, 一般为7、8月份, 此时乌珠穆沁草原处于一个平稳持续的较高温的状态, 对植被生长不具有限制作用, 降水成为主要限制因子; 在植被生长后期, 即植被生长衰败阶段, 温度开始降低, 因此温度成为限制植被生长的主要因子, 降水对植被长势的影响较低。

(4) 近15年来, 乌珠穆沁草原春季气温与降水量呈下降趋势, 导致春季植被指数值下降; 然而,秋季气温与降水量有上升的趋势, 相应的植被长势也变好, 这意味着在全球气候变化大背景下, 乌珠穆沁草原植被没有明显的春季生长季的提前, 而表现出秋季生长季的延长趋势。

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The effect of water/thermal dynamics on Ujimqin grassland

TONG Siqin1,2,3, LIU Guixiang2,*, BAO Yuhai3, ZHANG Qiaofeng2,3
1.College of Environment/Institute of Natural Disaster Research,Northeast Normal University,Changchun130024,China
2.Grassland Research Institute,CAAS,Hohhot010010,China
3.College of Geographical Science,Inner Mongolia Normal University,Hohhot010022,China

In this paper, MODIS NDVI dataset and corresponding climatic variables including temperature and precipitation were selected as the data sources to discuss the time series characteristics of vegetation change in Ujimqin grassland and the relationship between vegetation coverage changes and climatic variables from the yearly, seasonal and monthly time scales. The results indicated that the annual vegetation coverage had a tendency of increasing from 2000 to 2013 in Ujimqin and it was largely controlled by precipitation. In recent 15 years, the vegetation cover increased in summer and autumn, while decreased in spring. The correlation analysis between seasonal NDVI and corresponding seasonal climate factors showed that the precipitation was the main factor influencing vegetation cover changes in spring and summer, while the autumn was mainly affected by temperature. Correlation between monthly average of vegetation NDVI and climatic factors showed that the response of vegetation to precipitation was higher than that of temperature, while in April and May the correlation between NDVI and temperatures was stronger, indicating that the temperature was necessary in the early stage of vegetation growth. And in other period the temperature had negative effects in vegetationgrowth. The NDVI in July and August was significantly correlated with the precipitation in June, showing a hysteresis response of vegetation growth to rainfall.

Ujimqin; NDVI; water/thermal condition; correlation

10.14108/j.cnki.1008-8873.2016.05.004

Q948; P467

A

1008-8873(2016)05-021-10

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2015-06-21;

2015-09-02

中国农业科学院科技创新工程“草原非生物灾害防灾减灾”(CAAS-ASTIP-IGR 2015-04)

佟斯琴(1991—), 女, 蒙古族, 内蒙古兴安盟, 在读博士, 主要从事资源与环境遥感方向研究, E-mail: tsq118446@163.com

*通信作者: 刘桂香, 女, 研究员, 主要从事草地生态监测与灾害研究, E-mail: lgx804@163.com

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